(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＣＤディスプレイ等でＡＣＦを用いた接続の際、必要な温度上昇時間を短縮し、レーザ出力の精密/自動制御により工程の信頼性及び再現性を向上し、工程時間を短縮できるレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置及びその方法を提供する。【解決手段】制御信号によって所定波長のレーザビーム４０２を発生するためのレーザ光源４１０と、レーザビーム４０２を接続部位に誘導して照射するためのビーム伝達光学系４２０と、基板４０４、異方導電性フィルム４０６及び試料４０８を積層し、前記ビーム伝達光学系４２０を通して伝達されたビームを前記積層された試料側に照射するとともに、制御信号によって加圧するためのジグ４３０と、操作パネル４４０と、前記操作パネル４４０の入力によって前記レーザ光源４１０の強さ、照射方式及び圧力を設定し、全体の動作を制御するコントローラ４５０とを含む構成とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と試料とを異方導電性フィルムで接続するための異方導電性フィルムのボンディング装置であって、
制御信号によって所定波長のレーザビームを発生するためのレーザ光源と、
前記レーザ光源のレーザビームを接続部位に誘導して照射するためのビーム伝達手段と、
前記基板、異方導電性フィルムおよび試料を積層し、前記ビーム伝達手段を通して伝達されたビームを前記積層された試料側に照射するとともに、制御信号によって加圧するためのジグと、
操作するための操作パネルと、
前記操作パネルの入力によって前記レーザ光源の強さ、照射方式および圧力を設定し、全体の動作を制御するコントローラと、
を含むことを特徴とするレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置。
【請求項２】
前記ジグは、
前記基板を支持するためのベースと、前記基板上に積層された異方導電性フィルムおよび接続試料に圧力を加えるとともに、前記伝達されたビームを通過するための窓が形成された加圧装置と、前記コントローラの制御によって前記加圧装置を駆動するための圧力駆動部と、から構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置。
【請求項３】
前記ビーム伝達手段は、
レーザビームを伝達するための光ファイバと、前記伝達されたレーザビームを拡張するためのビーム拡張器と、前記コントローラの制御によって所定方式でレーザビームを照射するためのスキャン駆動部と、から構成されたことを特徴とする請求項１記載のレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置。
【請求項４】
基板と接続試料との間に異方導電性フィルムを位置し、基板と接続試料とを異方導電性フィルムで接続するためのボンディング方法であって、
所定波長のレーザビームを発生する段階と、
前記発生したレーザビームを前記基板および接続試料に所定時間の間照射する段階と、
前記レーザビームの照射中に加圧する段階と、
前記照射により基板や接続試料がレーザビームを吸収した後で発熱し、前記異方導電性フィルムの接着剤を溶融して前記基板と接続試料とを接着し、加圧により前記異方導電性フィルムの導電ボールを破壊して一方向に導電性を与える段階と、を含むことを特徴とするレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング方法。
【請求項５】
前記照射する段階は、
ビームをスポット状、線状および所定面積に形成して照射し、
前記基板がベースフィルムである場合、ベースフィルムの上部にレーザビームを照射することで、ベースフィルムが光を吸収して発熱し、前記基板がガラスである場合、ガラス基板の下部にレーザビームを照射することで、ガラス基板上にコーティングされたＩＴＯが光を吸収して発熱することを特徴とする請求項４記載のレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング方法。
【請求項６】
前記レーザ波長は８００mm〜１１００mmで、照射時間は５〜２０秒で、加圧時の圧力は２５０〜６００kg/cm2であることを特徴とする請求項４記載のレーザを用いた異方導電性フ
ィルムのボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品、半導体、或いはＬＣＤ、ＰＤＰ、ＥＬなどの平板表示素子(ＦＤＰ：Flat  Panel  Display)の実装に使用される異方導電性フィルム(Anisotropic  Conductive  Film、以下ＡＣＦと略称する)のボンディング技術に関するもので、詳しくは、既存のホットバー(Hotbar：金属棒)による熱融着技術の代わりに提供されるレーザを用いたＡＣＦのボンディング装置およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＡＣＦは、熱によって硬化される接着剤と、その内側にある微細な導電ボールとを混合した両面テープ状態の材料であって、高温の圧力を加えると、回路パターンのパッド(バンプ)と当接する部分の導電ボールが破壊され、その破壊された導電ボールがパッド部分で電気的に導通し、パッド部分以外の凹凸面に残りの接着剤が充填/硬化されて相互接着される。すなわち、ＡＣＦは、金属コーティングされたプラスティックまたは金属粒子などの導電性粒子(導電ボール)を分散したフィルム状の接着剤であって、ＬＣＤの実装分野のＬＣＤパネルとＴＣＰ(Tape  Carrier  Package)との接続、または、ＰＣＢ(Printed  Circuit  Board)とＴＣＰとの電気的接続に広く用いられている。最近のＬＣＤ技術の発展に伴い、ＡＣＦにおいては、接続信頼性の向上および接続ピッチの微細化も急速に進行されており、その結果、ベアチップ(Bare  Chip)をＬＣＤパネルに直接接続して実装するＣＯＧ(Chip  On  Glass)の実装などが可能になった。
【０００３】
以下、ＡＣＦの接続原理を説明すると、接続する二つの媒体の間にＡＣＦを位置した後、加熱(１６０〜１８０℃の温度、１０〜２０secの接続時間)および加圧(２〜３MPa)すると、ＡＣＦの接着剤が溶融され、分散された導電ボールが対置した電極の間を連結することで導電性が得られる一方、隣接する電極の間に接着剤が充填される。このとき、導電粒子が相互独立的に存在するため、水平方向には高い絶縁性が得られるが、パッドの間の垂直方向には導電性が得られ、導電粒子と電極との間の機械的接融は、接着剤の高い接着力により維持される。したがって、接着剤の性能は、ＡＣＦの接続信頼性に大きな影響を与える。
【０００４】
一方、ＡＣＦの開発初期には、接着剤としてスチレン系ブロック共重合体などの熱可塑性樹脂が使用された。熱可塑性樹脂は、汎用溶剤に可溶性であるため、再作業性(Repair)に優れているが、耐熱性が弱く溶融温度が高いことから、接続抵抗が高いという問題点がある。そのため、最近、接着剤としては、接続信頼性の向上という観点から、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を使用しており、特に、接続時に発生する応力を緩和し、再作業性を与えるために、架橋性高分子材料を分散した熱硬化性樹脂を使用している。ＡＣＦの接続信頼性は、接着剤として熱硬化性樹脂を用いることにより向上し、導電粒子の種類、粒径、添加量を最適化することにより良好な結果が得られる。このように良好な信頼性を有するＡＣＦは、ＬＣＤパネルの接続材料として広く実用化されており、その他に、ＥＬやＰＤＰなどの大電流・高電圧を要求する平板ディスプレイ素子にも応用される。また、ＡＣＦは、ＬＣＤの実装に広く使用されているが、その接続信頼性、微細接続性、低温接続性などの特徴により、ＣＯＢ(Chip  On  Board)、ＣＯＦ(Chip  On  Film)などの半導体実装用材料としても使用される。
【０００５】
このようなＡＣＦを用いて二つの媒体を接続する場合、従来は、図４（ａ）に示すように、熱硬化性樹脂の特性上、一定の温度、加圧、時間を与えるべきであるため、ヒータを備えたホットバーが付着された装置を用いることで、ホットバーで接続面を加圧して熱融着した。図４（ａ）に示すように、ガラス１０２とＩＣ１０６との間にＡＣＦ１０４を位置した後、ホットバー１０８で矢印方向に高温の圧力を加えることで、ガラス１０２とＩＣ１０６とを接続した。
【０００６】
従来のＬＣＤ基板にＩＣなどを付着するボンディング工程は、図４（ｂ）に示すように、基板１１２を用意する段階Ｓ１と、基板１１２にＡＣＦ１１４を軽く付着するプレボンディング(pre-bonding)段階Ｓ２と、ＡＣＦ１１４の保護フィルム１１４ａを剥す段階Ｓ３と、接続しようとする試料１１６を定置する段階Ｓ４と、ホットバー１１８で加圧して熱融着する主ボンディング(final  bonding)段階Ｓ５と、完成段階Ｓ６と、から構成される。図４（ｂ）を参照すると、既存のＡＣＦの接続工程では、接続しようとする下部の基板１１２にＡＣＦ１１４を置いた後、プレボンディングをし、ＡＣＦ１１４の保護フィルム１１４ａを剥した後、接続しようとする試料(ＦＰＣ/ＩＣなど)１１６を付着する。付着が終了すると、ホットバー１１８で加圧して熱融着する。熱融着が終了すると、ホットバー１１８を持ち上げて最終の接続を確認する。このとき、プレボンディング段階では、６０〜９０℃の温度、０.２〜０.２９MPaの圧力で約３〜５秒間接続するが、ＡＣＦの接続工程のうち最も主要な主ボンディング段階では、熱源としてのホットバーをヒータにより加熱し、１６０〜２１０℃の温度、２４.５〜５８.５MPaの圧力で約５〜２０秒間(ＡＣＦの厚さおよび種類によって異なる)接続する。
【０００７】
前記のように、従来は、接着しようとする二つの面の間にＡＣＦを位置し、上部部品の表面にホットバーを所定圧力で押すことで熱を加えると、時間の経過とともに、熱硬化性樹脂が硬化されて二つの面が付着され、フィルムの内部に分散されて存在する導電性粒子によって一方向のみに電気が流れるようになる。このような熱伝達は、上部部品の表面を通してＡＣＦまで伝達されるが、部品を通過して伝達されるので、所定の熱伝達温度分布特性を有することが重要である。
【０００８】
しかしながら、既存のホットバーを用いた熱融着工程および装置において、ＡＣＦの熱融着に必要な熱は、ヒータによりホットバーを加熱することで調節したので、ホットバー全体の温度を均一にすることが困難であり、接続部位以外においても熱消耗性が大きいので、熱転換効率が低下し、ホットバーの持続的な使用時、ホットバーの表面が汚染され、再現性を確保しにくいという問題点があった。また、対象用途によって接続条件を最適化することが困難であり、半自動工程である場合、運用者の経験および熟練度によって品質が左右されるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記のような従来の問題点を解決するために、ＬＣＤ/ＰＤＰ/ＬＥＤディスプレイなどでＡＣＦを用いて接続する場合、既存の熱融着の熱源として使用するヒータを用いたホットバーをレーザに取り替え、レーザビームが接続部位のみを加熱することで、接続に必要な温度上昇時間を短縮し、レーザ出力の精密/自動制御により工程の信頼性および再現性を向上し、工程時間を短縮できるレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置およびその方法を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の装置は、既存の熱源であるホットバーの代りに、レーザビームを用いてＡＣＦを熱融着するが、レーザビームは、接続しようとする部位で起こる光吸収により熱が発生し、この熱がＡＣＦの熱融着の熱源になり、単位面積当りの光エネルギーが高いという特性があって、接続部位のみに熱を発生するので、熱転換効率が高く、レーザビームの出力に対する精密制御が可能であるので、工程の再現性が高く運用者による品質依存度が低いという長所がある。また、瞬間的に高いエネルギーが入射されることで、ＡＣＦの接続に必要な温度まで迅速に上昇するので、工程時間の短縮効果も期待できる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の装置は、基板と試料とを異方導電性フィルムで接続するための異方導電性フィルムのボンディング装置であって、制御信号によって所定波長のレーザビームを発生するためのレーザ光源と、前記レーザ光源のレーザビームを接続部位に誘導して照射するためのビーム伝達手段と、前記基板、異方導電性フィルムおよび試料を積層し、前記ビーム伝達手段を通して伝達されたビームを前記積層された試料側に照射するとともに、制御信号によって加圧するためのジグと、操作するための操作パネルと、前記操作パネルの入力によって前記レーザ光源の強さ、照射方式および圧力を設定し、全体の動作を制御するコントローラと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の方法は、基板と接続試料との間に異方導電性フィルムを位置し、基板と接続試料とを異方導電性フィルムで接続するためのボンディング方法であって、所定波長のレーザビームを発生する段階と、前記発生したレーザビームを前記基板および接続試料に所定時間の間照射する段階と、前記レーザビームの照射中に加圧する段階と、前記照射により基板や接続試料がレーザビームを吸収した後で発熱し、前記異方導電性フィルムの接着剤を溶融して前記基板と接続試料とを接着し、加圧により前記異方導電性フィルムの導電ボールを破壊して一方向に導電性を与える段階と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、ＡＣＦの接続のための熱源であるホットバー工程をダイオードレーザ工程に取り替えることで、工程の信頼性および精密性の向上、工程時間の短縮および完全自動化を通した生産性の向上をもたらす。
【００１４】
また、本発明は、漸次拡大されている電子/半導体だけでなく、ＢＴ/ＥＴにおける小型精密パッケージング用途にも応用できる。
【００１５】
特に、本発明の装置は、接続しようとする部位のみに熱を発生し、レーザ出力を正確に制御するので、工程の再現性および信頼性に優れており、ＡＣＦの熱融着に必要な温度まで迅速に上昇するので工程時間を短縮できる。
【００１６】
また、レーザビーム波長による各材質の選択的な吸収特性を用いることで、多様な材質も熱損傷なしに接続できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明に適用されるレーザ溶接の概念を示した概略図であり、図２は、本発明に適用されるレーザ溶接時の吸収率を示したグラフである。
【００１９】
非金属およびプラスティックなどをレーザで溶接する透過性溶接は、図１に示すように、結束しようとする二つの媒質２０２,２０４を接触した後、レーザビーム２０６を照射して接触部で熱が発生することを用いた方法である。図１に示すように、上部の媒質２０４は、プラスティックやガラスなどであって入射するほとんどのレーザ波長を透過し、下部の媒質２０２は、プラスティックであってレーザ波長を適切に吸収する。このとき、下部の表面で吸収されたレーザビームのエネルギーが表面で熱に転換されるが、この熱は、重なった二つの面を溶融する役割をし、その結果、溶融された媒質により二つの媒質２０２，２０４が結束される。非金属およびプラスティックは、ほとんどの赤外線領域帯の波長において物質ごとに透過性および吸収性が異なる。かかる透過性および吸収性を適切に用いると、透過性溶接が可能になる。ＡＣＦを用いた接合工程も、前記のように、キャプトン(Kapton)類のベースフィルムおよびＩＴＯ膜のレーザビーム吸収性、ＡＣＦ自体の吸収性、および赤外線領域帯においてほとんどの透過性を示すガラス基板の特性から発生する熱による接合工程である。
【００２０】
図２は、ＦＰＣなどで多く使用されるキャプトンフィルムの８１０nm領域帯における吸収特性を示したグラフである。
【００２１】
図２において、横軸は、５０μｍの厚さのキャプトンフィルムのレイヤーを示し、縦軸は、吸収率(単位％)を示す。また、各レイヤーにおいて、一番目の棒グラフは、レーザ波長が８１０nmである場合を示し、二番目の棒グラフは、レーザ波長が９７５nmである場合を示す。
【００２２】
図３は、本発明によるレーザを用いたＡＣＦのボンディング装置の構成図である。
【００２３】
まず、本発明のＡＣＦボンディング装置は、図３に示すように、熱源の役割をするレーザ光源４１０と、接合部位に光を伝達するビーム伝達光学系４２０と、ＡＣＦの接合部位を支持して加圧する機構であるジグ４３０と、操作パネル４４０と、コントローラ４５０と、から構成されている。
【００２４】
レーザ光源４１０は、赤外線波長(約８００〜１１００nm)帯のダイオードレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザからなり、コントローラ４５０の制御によって所定強さのレーザビームを発生する。
【００２５】
ビーム伝達光学系４２０は、光源４１０のレーザビームをジグ側に伝達するための光ファイバ４２２と、光学系を支持するための光学系固定台４２４と、光ファイバ４２２を通して伝達された光を照射(scan)するための形態や大きさに拡張するビーム拡張器４２６と、コントローラ４５０の制御によってビーム拡張器４２６を移送し、レーザビーム４０２で試料の接続部位を照射(scan)するスキャン駆動部４２８と、から構成される。このとき、レーザビームを伝達するために、光ファイバ４２２の代りに鏡などの他の光学要素を使用することができ、接続部位に光を照射する方法には、光学系を用いて所定直径を有するスポット状、適切な長さを有する線状および所定の矩形面積のビームを形成して照射する方法がある。また、コントローラ４５０の制御によって反復的にスキャン照射することができ、一度に所定面積を照射することもできる。このとき、適切な接続強度を有するために、レーザビームの照射時、ジグ４３０を用いて接続部位を支持して所定圧力を加える。
【００２６】
ジグ４３０は、ＬＣＤパネル、およびガラス、ＦＲ４、ＦＲ５、ＦＰＣなどの基板４０４にＡＣＦ４０６や接続試料４０８を積層するためのベース４３２と、レーザビーム４０２を通過するための光学窓４３４ａが形成されており、光の照射時、基板および試料側に圧力を加えるための加圧装置４３４と、コントローラ４５０の制御によって所定圧力で加圧装置４３４を駆動するための圧力駆動部４３６と、から構成される。このとき、基板４０４および試料４０８は、電気的に接続するためのバンプ(またはパッド)４０４ａ，４０８ａをそれぞれ有しており、各バンプ４０４ａ，４０８ａの間にＡＣＦ４０６を位置した後、レーザビーム４０２を照射しながら加圧装置４３４で圧力を加えると、両側のバンプ４０４ａ，４０８ａは、ＡＣＦの導電ボールにより一方向に電気的に接続されるとともに、各バンプの間にＡＣＦの接着剤が充填されることで、基板４０４と試料４０８とを堅固に接着する。
【００２７】
操作パネル４４０は、キーパッドやＬＣＤなどからなり、作業者のキー入力をコントローラに伝達して装置の動作を制御するとともに、コントローラ４５０の制御によって動作状態を表示する。
【００２８】
コントローラ４５０は、操作パネル４４０のキーパッドを通して入力された値で作業工程の各変数(レーザ波長、強さ、照射方式、照射時間、圧力など)を設定するとともに、作業者のキー入力によって各部を制御し、制御結果や動作状態などを操作パネル４４０のＬＣＤに表示する。
【００２９】
以下、本発明のＡＣＦのボンディング装置を用いて基板と試料とをＡＣＦでボンディングする工程を説明する。
【００３０】
まず、ジグのベース４３２に接着しようとするベースフィルムやガラスなどの基板４０４を配置し、基板４０４上にＡＣＦ４０６を配置した後、再び試料４０８をＡＣＦ４０６上に定置する。このとき、基板４０４および試料４０８のバンプ４０４ａ，４０８ａは、接続のために正確に位置すべきである。ここで、図示してないが、このような過程は、ロボットなどを用いて自動化することが好ましい。
【００３１】
次いで、レーザ光源４１０は、コントローラ４５０の制御によってＡＣＦの接合部位のベースフィルムあるいはガラス基板のＩＴＯ膜で吸収可能な波長の光を適切な強さの出力で放出するが、このとき、時間的に連続した光またはパルス状の光で放出される。
【００３２】
次いで、放出されたレーザビームは、光ファイバあるいは鏡により構成されたビーム伝達光学系４２０に伝送され、ビーム伝達光学系４２０のビーム拡張器４２６を連結する光学系固定台４２４を経て接続部位に照射される前に、ビーム拡張器４２６を用いて適切な大きさの光に形成する。
【００３３】
次いで、適切な大きさに拡張されたビーム４０２は、レーザ波長に対する透過性が非常に大きい(約９９％以上)光学窓４３４ａを通して接続部位に照射される。光学窓４３４ａは、レーザビームを通過するとともに、接続部位に所定圧力を加える加圧装置４３４に固定される。
【００３４】
このとき、本発明の実施形態のように、ＩＴＯパターンが刻まれたガラス基板４０４に上部の試料４０８としてベースフィルムを接続する場合、本発明の主要工程であるＡＣＦの接続には、レーザビームの吸収源によって下記のような二つの工程が可能になる。
【００３５】
第一に、レーザビームの吸収源としてベースフィルムを用いる方式が可能であり、既存のホットバー工程と同様に、レーザビーム４０２は、ベースフィルムの上部に入射される。このとき、レーザビームは、所定の吸収特性によりベースフィルムで吸収されて熱エネルギーに転換される。吸収部位で発生した熱は、ベースフィルムの下部にコーティングされた銅あるいは金で鍍金されたバンプ端子(約数十μmの厚さ)４０８ａを通してＡＣＦ４０６に迅速に伝達される。このとき、所定温度まで上昇し、かつ、熱硬化性接着剤であるＡＣＦが溶融および硬化するのに必要な時間は、コントローラ４５０によってレーザビームの出力を精密に制御することで調節する。また、バンプ４０８ａとＩＴＯ４０４ａとの間の接着品質を高めるために、適切に加圧する。
【００３６】
第二に、ガラス基板４０４の下部にレーザビームを照射する方式が可能であり、このとき、レーザビームは、ガラス基板上にコーティングされたＩＴＯ４０４ａで吸収される。ガラス基板４０４は、赤外線波長のほとんどのレーザビームを通過し、ＩＴＯ４０４ａ膜で一部吸収される。レーザ出力は、他の一般的な光よりも単位面積当りの出力が高いので、小さな吸収にも充分な熱を発生する。ＩＴＯ４０４ａ膜で吸収されたレーザビームは、熱エネルギーに転換されてＡＣＦ４０６に伝達される。その後の工程は、前記した第一の工程と同一である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置およびその方法は、電子部品、半導体、或いはＬＣＤ、ＰＤＰ、ＥＬなどの平板表示素子(ＦＤＰ)の実装に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に適用されるレーザ溶接の概念を示した概略図である。
【図２】本発明に適用されるレーザ溶接時の吸収率を示したグラフである。
【図３】本発明によるレーザを用いた異方導電性フィルムのボンディング装置の構成図である。
【図４】（ａ）は従来の異方導電性フィルムのボンディング装置の構成を示した概略図であり、（ｂ）は従来の異方導電性フィルムのボンディング工程を示した工程図である。
【符号の説明】
【００３９】
２０２  レーザ吸収媒質
２０４  レーザ透過媒質
２０６  レーザビーム
４１０  光源
４０２  レーザビーム
４０４  ボンディング基板
４０６  ＡＣＦ
４０８  ボンディング試料
４２０  ビーム伝達光学系
４２２  光ファイバ
４２４  光学系固定台
４２６  ビーム拡張器
４３０  ジグ
４３２  ベース
４３４  加圧装置
４３４ａ  光学窓
４４０  操作パネル
４５０  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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